Материал: Операционные системы . учебное пособие. Лопатин Р.С

Если обобщать и рассматривать не только обычные ОС общего назначения, но и, например, ОС реального времени, то можно сказать, что процесс может нахо­диться в активном и пассивном (не активном) состоянии. В активном состоянии процесс может участвовать в конкуренции за использование ресурсов вычисли­тельной системы, а в пассивном - он только известен системе, но в конкуренции не участвует (хотя его существование в системе и сопряжено с предоставлением ему оперативной и/или внешней памяти). В свою очередь, активный процесс мо­жет быть в одном из следующих состояний:

- выполнения - все затребованные процессом ресурсы выделены. В этом состоя­нии в каждый момент времени может находиться только один процесс, если речь идет об однопроцессорной вычислительной системе;

- готовности к выполнению - ресурсы могут быть предоставлены, тогда про­цесс перейдет в состояние выполнения;

- блокирования или ожидания - затребованные ресурсы не могут быть предо­ставлены, или не завершена операция ввода/вывода.

В большинстве операционных систем последнее состояние, в свою очередь, под­разделяется на множество состояний ожидания, соответствующих определенно­му виду ресурса, из-за отсутствия которого процесс переходит в заблокирован­ное состояние.

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится специальная информационная структура, называемая дескрип­тором процесса (описателем задачи, блоком управления задачей). В общем слу­чае дескриптор процесса содержит следующую информацию:

- идентификатор процесса (так называемый PID - process identificator);

- тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые пра­вила предоставления ресурсов;

- приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ре­сурсы. В рамках одного класса процессов в первую очередь обслуживаются более приоритетные процессы;

- переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится процесс (готов к работе, в состоянии выполнения, ожидание устройства вво­да/вывода и т. д.);

- защищенную область памяти (или адрес такой зоны), в которой хранятся те­кущие значения регистров процессора, если процесс прерывается, не закон­чив работы. Эта информация называется контекстом задачи;

- информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право поль­зоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных опе­рациях ввода/вывода и т. п.);

- место (или его адрес) для организации общения с другими процессами;

- параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активи­зироваться, и периодичность этой процедуры);

- в случае отсутствия системы управления файлами — адрес задачи на диске в ее исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оператив­ной памяти, если ее вытесняет другая (для диск-резидентных задач, которые постоянно находятся во внешней памяти на системном магнитном диске и за­гружаются в оперативную память только на время выполнения).

2.4. Понятие вычислительного потока

Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования. Напомним, в свое время различали термины «мультизадачность» и «мультипро­граммирование». Таким образом, для реализации «мультизадачность» в ее ис­ходном толковании необходимо было тоже ввести соответствующую сущность. Такой сущностью и стали так называемые «легковесные» процессы, или, как их теперь преимущественно называют, - потоки или треды (нити). Рассмотрим эти понятия подробнее.

Когда говорят о процессах (process), то тем самым хотят отметить, что операци­онная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресур­сы - файлы, окна, семафоры и т. д. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ре­сурсы вычислительной системы, конкурируют друг с другом. В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже раз­ным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Другими сло­вами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независи-мыми. При этом именно ОС берет на себя роль арбитра в конкуренции между процессами по поводу ресурсов.

Однако желательно иметь еще и возможность задействовать внутренний парал­лелизм, который может быть в самих процессах. Такой внутренний параллелизм встречается достаточно часто и его использование позволяет ускорить их реше­ние. Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требо­вать для своего исполнения достаточно длительного использования центрального процессора. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользова­тель вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управ­лять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при обработке боль­ших изображений в графических редакторах. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (легковесных или облегченных процессов - потоков, можно также воспользоваться термином задача), которые будут выполняться парал­лельно с другими «подпроцессами» (потоками, задачами), то у пользователя по­является возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках од­ного приложения (процесса). Легковесными эти задачи называют потому, что операционная система не должна для них организовывать полноценную вирту­альную машину. Эти задачи не имеют своих собственных ресурсов, они развива­ются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, что и данный про­цесс. Единственное, что им необходимо иметь, - это процессорный ресурс. В од­нопроцессорной системе треды (задачи) разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в мультипроцессорной систе­ме могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за об­ращения к иным ресурсам.

Главное, что обеспечивает многопоточность, - это возможность параллельно вы­полнять несколько видов операций в одной прикладной программе. Параллель­ные вычисления (а следовательно, и более эффективное использование ресур­сов центрального процессора, и меньшее суммарное время выполнения задач) теперь уже часто реализуется на уровне тредов, и программа, оформленная в виде нескольких тредов в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет параллельного выполнения ее отдельных частей. Например, если электрон­ная таблица или текстовый процессор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего ра­бочего листа или слияние нескольких документов и одновременно продолжать заполнять таблицу или открывать для редактирования следующий документ. Особенно эффективно можно использовать многопоточность для выполнения распределенных приложений; например, многопоточный сервер может парал­лельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов. Как известно, операци­онная система OS/2 одной из первых среди ОС, используемых на ПК, ввела многопоточность. В середине девяностых годов для этой ОС было создано очень большое количество приложений, в которых использование механизмов много­поточной обработки реально приводило к существенно большей скорости вы­полнения вычислений.

2.5. Понятие прерывания

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать па­раллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Таким образом, прерывание - это принудительная передача управления от выполняе­мой программы к системе (а через нее - к соответствующей программе обработ­ки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Идея прерываний была предложена в середине 50-х годов и можно без преувели­чения сказать, что она внесла наиболее весомый вклад в развитие вычислитель­ной техники. Основная цель введения прерываний - реализация асинхронного режима работы и распараллеливание работы отдельных устройств вычислитель­ного комплекса.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Струк­туры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность - прерывание не­пременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Главные функции механизма прерываний:

- распознавание или классификация прерываний;

- передача управления соответственно обработчику

прерываний;

- корректное возвращение к прерванной программе.

Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выпол­няться как можно быстрей. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к пре­рванной программе перед передачей управления обработчику прерываний со­держимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым досту­пом, либо в системном стеке - system stack.

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разде­лить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происхо­дят вне прерываемого процесса, например:

- прерывания от таймера;

- прерывания от внешних устройств

(прерывания по вводу/выводу);

- прерывания по нарушению питания;

- прерывания с пульта оператора вычислительной системы;

- прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой про­цессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются сле­дующие запросы на прерывания:

- при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сег­менту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);

- при наличии в поле кода операции незадействованной

двоичной комбинации;

- при делении на нуль;

- при переполнении или исчезновении порядка;

- при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе

различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Могут еще существовать прерывания при обращении к супервизору ОС - в не­которых компьютерах часть команд может использовать только ОС, а не пользо­ватели. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользовательские программы выполняются в режиме, в котором эти привиле­гированные команды не исполняются. При попытке использовать команду, за­прещенную в данном режиме, происходит внутреннее прерывание и управление передается супервизору ОС. К привилегированным командам относятся и ко­манды переключения режима работа центрального процессора.

Наконец, существуют собственно программные прерывания. Эти прерывания про­исходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде про­цессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных внутрен­них прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегиро­ванный режим с возможностью исполнения любых команд.